Nhiều các mục tiêu với ngụ ý rằng một kiến trúc phẳng sẽ cần được phát
triển . kiến trúc phẳng với ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thi n hi u ệ ệ
suất. Phát triển theo hướng này đã được bắt đầu từ phiên bản 7. Nơi ý tưởng
đường hầm tr c tiự ếp cho phép mặt phẳng người dùng ( UP) bỏ qua SGSN.
Hình 2.1 Phát triển kiến trúc 3GPP
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt , chất lượng d ch vị ụ (QoS) và độ trễ tối
thiểu. Một phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch v ụ
bao g m c thoồ ả ại thơng qua các kết nối gói. Kết quả là trong một kiến trúc
phẳng hơn , rất đơn giản chỉ với 2 loại nút cụ thể là nút B phát triển ( eNB) và phần tử quản lý di động /cổng ( MME/GW). Điều này hồn tốn trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc mạng phân cấp hiện hành của hệ thống
3G. M t ộ thay đổ ới l n nữa là phần điều khi n mể ạng vô tuyến (RNC) được loại
bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó hiện nay được thành lập ở eNB. Một số ích lợ ủi c a một nút duy nhất trong m ng truy nhạ ập là giảm độ trễ và
phân phối của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNB. Việc loại bỏ RNC ra khỏi mạng
truy nhập có thể một phần do hệ thống LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm.
1.1.1. Tổng quan v cề ấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
Hình 2.2 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc
nơi chỉ có một E-UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia
kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE) ; UTRAN phát
triển( E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển(EPC); và các vùng dịch vụ.
Hình 2.2 Kiến trúc và các thành phần mạng
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối. Đây là một phần c a hủ ệ thống được gọi là hệ ống gói phát triể th n (EPS). Chức năng chính củ ớp này là cung cấa l p kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung c p dấ ựa trên
IP, t t cấ ả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó khơng có mặt ở E-UTRAN và EPC. Cơng nghệ IP chiếm ưu
thế trong truy n tề ải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP.
Các hệ thống con đa phương tiện IP ( IMS) là một ví dụ tốt về máy móc
thiết bị phục v có thể ụ đượ ử ục s d ng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các
dịch v dụ ựa trên kế ối t n IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví dụ , để hỗ
trợ d ch v thoị ụ ại thì IMS có thể cung c p thoấ ại qua IP VoIP) ( và sự ế k t nối
tới các mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa
phương tiện của nó điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển ( eNode B). T t cấ ả các chức năng vơ tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm
kết thúc cho tất cả các giao thức vơ tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lướ ủa các eNodeB đượi c c kết nối tới các eNodeB lân cận với giao di n X2. ệ
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC khơng có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và khơng có kết nối tr c ti p tự ế ới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết
trong lớp này. Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch
gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc b trí ố các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hồn tịan mới.
Cả hai hình 2.1 và 2.2 cho thấy có một phần tử gọi là SAE GW. Như hình
2.2 cho thấy đó là sự ế k t h p c a hai cợ ủ ổng là cổng ph c vụ ụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói( P-GW) điều này được định nghĩa cho các xử lý UP trong EPC. Gộp chúng lạ ới nhau thành SAE GW. Cấu hình kiến trúc cơ bải v n h ệ
thống và chức năng của nó được ghi trong 3GPP TS 23.401.
1.1.2. Thiết bị người dùng ( UE)
nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu
như mọi ngườ ẫn đang sửi v dụng hiện t i trong mạ ạng 2G và 3G. Hoặc nó có
thể được nhúng vào, ví dụ một máy tính xách tay. UE cũng có chứa các mođun nhận dạng th bao tồn cầu( USIM). Nó là một mođun riêng biệt với phần cịn lạ ủa UE, thường đượi c c gọi là thiết bị đầu cuối (TE). USIM là một
ứng dụng được đặt vào một thẻ thơng minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp tồn cầu ( UICC). USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người s dử ụng để ấy khóa bả l o m t nh m b o v vi c truy n tậ ằ ả ệ ệ ề ải trên giao
diện vô tuyến.
Các chức năng của UE là nề ảng cho các ứn t ng dụng truyền thơng, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thơng tin người
dùng cần. Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng. Có lẽ quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho
người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được s dử ụng để thiết lập
một cuộc g i thoọ ại.
1.1.3. E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Nút duy nhất trên E UTRAN là E UTRAN NodeB ( eNodeB). Đơn giả- - n
đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm sốt tất cả các chức năng vơ tuyến
liên quan trong phần cố định của hệ thống. Các trạm gốc như eNodeB thường
phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng. Mỗi eNodeB thường cư trú
gần các anten vô tuyến hiện t i cạ ủa chúng.
Chức năng của eNodeB hoạt động như một cầu nối gi a 2 lữ ớp là UE và EPC, nó là điểm cuối c a t t củ ấ ả các giao thức vơ tuyến về phía UE, và tiếp
nhận dữ liệu giữa các kế ối vô tuyến và các kết n t nối IP cơ bản tương ứng về
phía EPC. Trong vai trị này các EPC thực hiện mã hóa / giải mã các dữ liệu UP, và cũng có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP.
eNodeB cũng chịu trách nhiệm v nhiề ều các chức năng của m t phặ ẳng điều khiển (CP). eNB chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử dụng giao diện vơ tuyến , bao gồm : phân bổ tài nguyên
dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên
tục giám sát tình hình sử ụng tài ngun. d
Ngồi ra eNodeB cịn có vai trị quan trọng trong quản lý tính di động
(MM). Điều khiển eNodeB và đo đạc phân tích mức độ ủa tín hiệu vơ tuyế c n
được th c hiện bởi UE. Điều nàyự bao gồm trao đổi tín hiệu chuy n giao giể ữa eNB khác và MME. Khi một UE mới kích hoạ theo yêu t cầu của eNB và kết nối vào ạng, eNodeB m cũng chịu trách nhiệm v viề ệc định tuyến khi này nó
sẽ đề nghị các MME mà trước đây đã phục vụ cho UE, hoặ ực l a ch n mọ ột
MME mới n u m t tuyế ộ ến đường đến các MME trước đó khơng có sẵn hoặc thơng tin định tuyến v ng mắ ặt.
Hình 2.3 cho thấy các kết nối với eNodeB đã đến xung quanh các nút logic,
và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này. Trong tất cả các kết nối
eNB có thể là trong mối quan hệ một - nhiều hoặc nhi u - nhiề ều. Các eNodeB
có thể phục vụ đồng th i nhiờ ều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một eNodeB trong cùng một thời điểm. Các eNodeB sẽ c n k t n i tầ ế ố ới các eNodeB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện.
Cả hai MME và S-GW có thể được g p lộ ại, có nghĩa là một tập hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNodeB. Từ một viễn c nh ả
eNodeB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải k t n i t i nhiế ố ớ ều MME và S-
GW. Tuy nhiên mỗi UE sẽ được ph c v b i chụ ụ ở ỉ có một MME và S-GW tại
một thời điểm và eNodeB phải duy trì theo dõi các liên kết này.
Sự k t hế ợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp v i s chuy n giao ớ ự ể liên eNodeB.
Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN
1.1.4. MME (Mobility Management Entity) :
Quản lý di động(MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC. Thơng thường MME sẽ là một máy chủ ở một vị trí an tồn tại các cơ sở ủa nhà c
điều hành. Nó chỉ hoạt động trong các CP, và không tham gia vào con đường của UP dữ liệu.
Ngoài giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thể hiện trong hình 2.2, MME cịn có mộ ế ối t k t n logic trực ti p tế ới UE, và kế ối này đượt n c s d ng ử ụ như là kênh điều khiển chính giữa UE và mạng. Sau đây là danh sách các
chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống :
❖ Xác thực và bảo mật : khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME
sẽ
khởi t o sạ ự xác thực, bằng cách thực hi n nhệ ững điều sau: nó tìm ra danh tính thường trú của UE, hoăc từ các mạng truy nhập trước đó hoặc chính bản thân UE, u cầu từ bộ phục vụ thuê bao thường trú (HSS) trong mạng ch c a UE ủ ủ các điều khiển chứng thực có ứa các mệch nh lệnh chứng thực - trả lời các cặp tham s , gố ửi các thử thách với UE và so sánh các trả ờ l i nhận đượ ừ UE vào c t
một trong những cái đã nhậ ừ mạng ch . Chn t ủ ức năng này là cần thiết để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ với UE. Các MME có thể lặp lại chức năng xác thực khi c n thi t ho c theo chu kầ ế ặ ỳ. Các chức năng này dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khỏi vi c nghe trệ ộm và từ sự thay đổ ủa bên thứ ba tương ứi c ng
trái phép. Để bảo vệ sự riêng tư của UE, MME cũng phân bổ cho mỗi UE một
mã tạm thời gọi là mã nhận dạng tạm thời duy nhất tồn cầu(GUTI), do đó
cần ph i gả ửi mã nhận dạng thường trú UE mã nhậ- n dạng thuê bao di động quốc tế ( IMIS) qua giao diện vô tuyến được gi m thiả ểu. Các GUTI có thể được cấp trở lại, ví dụ nh k đị ỳ để ngăn chặn theo dõi UE.
❖ Quản lý di động: MME theo dõi vị trí của tất cả các UE trong khu vực của mình, khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ tạo ra một lối
vào cho UE và tín hiệu v i vớ ị trí tới HSS trong m ng ch cạ ủ ủa UE. MME yêu
cầu tài nguyên thích hợp được thiết lập trong eNodeB, cũng như trong các S- GW mà nó lựa chọn cho UE. Các MME sau đó tiế ục theo dõi vị trí củp t a UE hoặc là dựa trên mức độ của eNB, nếu UE v n k t n i, tẫ ế ố ức là truyền thông đang hoạt động hoặc ở mức độ khu vực theo dõi (TA). MME điều khiển các
thiết lập và giải phóng nguồn tài nguyên dựa trên những thay đổi chế độ hoạt
động của UE. MME cũng tham gia vào việc điều khiển tín hiệu chuyển giao
của UE trong chế độ hoạt động giữa các eNB, S-GW hoặc MME. MME tham
gia vào mọi thay đổ ủa eNB vì khơng cói c phần tử điều khi n mể ạng vơ tuyến
riêng biệt nên nó đã ẩn hầu hết các sự kiện này. Một UE ở trạng thái rảnh dỗi
nó sẽ báo cáo vị trí của nó hoặc là định kỳ, hoặc là khi nó chuyển tới m t khu ộ
vực theo dõi. Nếu dữu liệu nhận được từ bên ngoài cho một UE r nh d i, ả ỗ
MME sẽ được thơng báo, nó sẽ yêu cầu các eNB trong TA đã được lưu giữ
cho UE t i vớ ị trí nhớ của UE.
❖ Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối: vào thời điểm một UE đăng ký
vào mạng, các MME sẽ chịu trách nhiệm lấy hồ sơ đăng ký của nó từ mạng chủ v . ề Các MME sẽ lưu trữ thông tin này trong suốt thời gian phục v UE. ụ
Hồ sơ này xác định những gì các kết nối mạng dữ liệu gói được phân bổ tới
mang, cho phép các UE kết nối IP cơ bản. Điều này bao gồm tín hiệu CP với
eNB và S-GW. Tại b t kấ ỳ thời điểm nào sau này, các MME có thể cần tới được tham gia vào việc thiết lập phần tử mang dành riêng cho các dịch v ụ được hưởng lợi xử lý cao hơn. Các MME có thể nhận được các yêu cầu thiết
lập một phần tử mang dành riêng, hoặc từ các S-GW nếu yêu cầu b t ngu n ắ ồ
từ khu vực dịch vụ điều hành, hoặc trực tiếp từ UE, nếu UE yêu cầu kết nối cho m t d ch vộ ị ụ mà không được biết đến bởi khu vực dịch vụ điều hành, và do đó khơng thể được bắt đầ ừ đó .u t
Hình 2.4 cho thấy các kết nối MME đến quanh các nút logic, và tóm tắt các
chức năng chính trong giao diện này. về nguyên tắc MME có thể được kết nối với b t kấ ỳ MME khác trong hệ thống, nhưng thường kết nối được giới h n ạ
trong một nhà điều hành mạng duy nhất. Các k t n i t xa giế ố ừ ữa các MME có
thể được s d ng khi mử ụ ột UE đã đi xa, trong khi đi đăng ký với một MME
mới sau đó tìm kiếm nh n dậ ạng thường trú mớ ủa UE, sau đó lấi c y nhận dạng
thường trú của UE, mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMIS), từ MME truy cập trước đó. Các kế ốt n i giữa các MME với các MME lân cận được sử
dụng trong chuy n giao. ể
Hình 2.4 Nguyên tắc hoạt động của MME
dùng , và một tuyến đường có thể được tìm thấy dựa trên IMIS. Mỗi MME
được cấu hình để điều khi n m t t p hể ộ ậ ợp các S-GW và eNodeB. Cả hai S- GW và eNodeB cũng có thể được kết nối tới các MME khác. Các MME có
thể phục v một s UE cùng một lúc, trong khi mỗi UE sẽ chỉ kết nối tới một ụ ố
MME t i m t thạ ộ ời điểm.
1.1.5. Cổng ph c vụ ụ ( S-GW)
Trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp của S-GW là
quản lý đường hầm UP và chuyển mạch. S-GW là một phần c a h t ng m ng ủ ạ ầ ạ nó được duy trì ở các phòng điều hành trung tâm của mạng.
Khi giao di n S5/S8 dệ ựa trên GTP, S-GW sẽ có đường hầm GTP trên tấ ảt c
các giao diện UP của nó. Ánh xạ giữa các luồng dịch vụ IP và đường hầm
GTP được thực hiện trong P-GW, và S-GW không cần được kết nối với